間欠帰還型能動核スピンメーザーの開発による超高精度スピン歳差周波数測定とその応用

• 研究課題/領域番号: 17K14310
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 佐藤 智哉 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (60780856)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2018年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 実験核物理 / 精密周波数計測 / スピンメーザー / 核スピン / 磁力計 / 電気双極子モーメント

研究実績の概要

スピン歳差周波数の精密測定が原子の永久電気双極子能率やアクシオン様暗黒物質の探索など基礎物理学へ応用出来ることに着目し、静磁場下での核スピン歳差運動観測を、緩和時間による制限を超えて半永久的に可能とする「能動帰還型核スピンメーザー」の高度化を行った。本研究ではメーザー周波数測定における系統誤差を低減するための新たな方式として「間欠帰還方式」を考案し、これを導入したメーザーを開発した。間欠帰還方式とは、これまで同時に行っていたスピン歳差観測と、歳差維持のための帰還磁場印加を時間的に分離し交互に繰り返す方式である。これによって、帰還磁場が偏極Rb原子を用いたキセノン核スピン運動の観測過程に与える影響を取り除き、より正確な帰還磁場印加を行いメーザー周波数系統誤差を抑制する。
平成30年度は、昨年度に開発した間欠帰還型Xe-129/Xe-131二核種同時核スピンメーザーを用いてその性能評価を行った。メーザー周波数の運転パラメーター（磁場、温度、レーザー周波数・強度、帰還磁場強度等）依存性測定を行い、それぞれのパラメーターの変動がメーザー周波数にどの程度影響するか解析した。従来型の能動帰還型メーザーにおいては、二核種メーザー周波数の同時測定・比較を行ってもなお残る、Xeスピン交換光ポンピング用レーザー光の強度変化の影響が問題となっていた。実験の結果これが大幅に低減されることが分かり、間欠帰還方式により従来型メーザーの限界が突破できる可能性が示された。

研究成果

• [国際共同研究] University of Winnipeg(カナダ)
• [雑誌論文] Development of co-located 129Xe and 131Xe nuclear spin masers with external feedback scheme (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sato、Y. Ichikawa、S. Kojima、C.Funayama、S. Tanaka、T. Inoue、A. Uchiyama、A. Gladkov、A. Takamine、Y. Sakamoto、Y. Ohtomo、C. Hirao、M. Chikamori、E. Hikota、T. Suzuki、M. Tsuchiya、T. Furukawa、A. Yoshimi、C.P. Bidinosti、T. Ino、H. Ueno、Y. Matsuo、T. Fukuyama、N. Yoshinaga、Y. Sakemi、K. Asahi
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 382 号: 8 ページ: 588-594
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2017.12.003
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 129Xe/131Xe double-species spin maser for Xe-EDM search (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Sato ,Y. Ichikawa, A. Takamine, A. Gladkov, T. Inoue, A. Uchiyama, S. Kojima, C. Funayama, S. Tanaka, Y. Sakamoto, Y. Ohtomo, C. Hirao, M. Chikamori, E. Hikota, T. Furukawa, A. Yoshimi, C. P. Bidinosti, T. Ino, H. Ueno, Y. Matsuo, T. Fukuyama, N. Yoshinaga, Y. Sakemi, K. Asahi
  • 学会等名: The 11th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms（FPUA2019）
  • 国際学会
• [学会発表] 能動帰還型核スピンメーザーを用いたスピン歳差周波数測定における誤差とその低減 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤智哉
  • 学会等名: 「物質階層原理」&「ヘテロ界面研究」合同春合宿
• [学会発表] Co-existing Xe-129 and Xe-131 masers with active feedback scheme for Xe atomic EDM search (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sato
  • 学会等名: 5th Joint Meeting of the Nuclear Physics Division of the American Physical Society and The Physical Society of Japan (HAWAII2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomic EDM searches in RIKEN (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sato
  • 学会等名: The 10th China-Japan Joint Nuclear Physics Symposium (CJNP2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 間欠帰還型能動核スピンメーザーの動作特性と環境応答 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤智哉, 市川雄一, 井上壮志, 内山愛子, Gladkov A., 高峰愛子, 小島修一郎, 舟山智歌子, 田中俊也, 坂本雄, 大友祐一, 平尾千佳, 近森正敏, 彦田絵里, 古川武, 吉見彰洋, Bidinosti C.P., 猪野隆, 上野秀樹, 松尾由賀利, 福山武志, 吉永尚孝, 酒見泰寛, 旭耕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Development of co-existing 129Xe and 131Xe masers with time-separated feedback scheme for the Xe atomic EDM search (2017)
  • 著者名/発表者名: Sato T., Ichikawa Y., Inoue T., Uchiyama A., Gladkov A., Takamine A. Kojima S., Funayama C., Tanaka S., , Sakamoto Y., Ohtomo Y., Hirao C., Chikamori M., Hikota E., Furukawa T., Yoshimi A., Bidinosti C.P., Ino T., Ueno H., Matsuo Y., Fukuyama T., Yoshinaga N., Sakemi Y., and Asahi K.
  • 学会等名: The third International Conference on Advances in Radioactive Isotope Science (ARIS 2017)
  • 国際学会
• [備考] ~科研費補助金事業~ Xe-EDM collaboration
  • URL: http://ribf.riken.jp/~asahi/